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日本的地震监测、预警和烈度速报


    日本是一个多地震的国家,上世纪的100年间,发生的造成重大伤亡和破坏的大地震就有11次之多。其破坏性地震主要分两类,一是发生在海沟的特大地震波及陆地,共有7次,二是陆地直下型的7级左右大震,共有4次。震灾以东部沿岸为主,几乎覆盖全国各地。震灾最为严重的就是1923年的关东7.9级地震,属于海域地震,造成了142807人死亡。让我们仍记忆犹新的是1995年的阪神7.2级地震,属于陆地直下型地震,造成6430人死亡。也正是这次地震让日本政府重新审视了地震和防震减灾工作。

    一、地震监测工作
    日本的地震监测也经历了一个复杂过程,1995年阪神地震时,当时的台网还很稀疏,运行体系也比较落后,地震后花费了半天的时间都没能得出一个像样的结果。这次地震以后,日本政府经过反思,调整了地震工作的发展战略,把地震监测台网的建设放到了重要位置上。至此以后,日本的地震监测系统进入了快步发展阶段。其一是注重了强震台网的建设,不仅迅速加大台网密度,而且也把当时强震观测仅作为研究工程破坏,为工程建设服务的单一目标调整为同时为大震速报服务的任务上来。其二是扩展了观测空间,一方面进一步加强海底观测,加大对海域的监控能力;另一方面在陆地加强深井观测的技术开发和建设,目前3000米左右井深的地震仪有4套,2000米左右的二十几套,一大批100米以上的井下地震仪,井下地震仪通常都装有微震仪、强震仪和倾斜仪三个传感器。针对东京未来可能遭受地震灾害的危险程度,已做出新的方案,将在东京城区再钻20个左右的3000-4000米的深井,安装深井地震仪。其三扩展了台网建设的主体,除了国家台网以外,地方政府也布设有2000余台的强震仪,一些行业依据自己特殊的用途,也各自建设自己专门的台网。为了提高地震预警的精度,很多企业也建设自己的强震台,还推广了一些价格低廉,可以用于家庭的强震仪。目前作为国家台网,有1000台强震仪和800台微震仪的实时信号传送到气象厅地震台网中心和防灾研究所(NIED),其台站间距为25公里。整个运行分三块内容,一是强震台网(K-net),用于大震预警和烈度速报,二是短周期微震台网(Hi-net),用于记录小震,并配合强震台网做大震速报,三是宽频带台网(F-net),主要用于地震波研究。还有一大批属于地方政府运行的强震台能够自行处理所记录到的峰值加速度,将当地的烈度值自动发送到国家台网中心。各类台站加起来大约在5600个左右。位于东京的国家台网中心和建在大阪的备份台网中心的主体技术系统以同样方式同时运行,都具备独立运行台网、发布信息的能力。这样一个监测体系的建设,使日本全国的地震监测能力比十年前有了一个飞跃发展,也为地震预警和地震烈度速报奠定了基础的技术支撑能力。
    二、地震预警和烈度速报
    所谓地震预警是地震发生后快速发出的警报信息,包含两个方面的含义,其一是指在地震发生后,利用地震波传播速度小于电波传播速度的特点,通过强大的地震监测体系提前对地震波尚未到达的地方发出预警信息。这种方式对于发生在脚下的直下型地震无法发挥作用,对于周边发生地震可能争取到几秒乃至十几秒的宝贵时间。其二是利用地震纵波和横波的到时差发出报警信息,地震是以两种地震波的形式向外传播能量,纵波(P波)破坏力较弱,但速度较快,每秒5.7公里,横波(S波)是切变波,破坏强大但速度较慢,每秒3.4公里。地震仪首先接收到P波,经过对后续S波的破坏能力做出快速判定,发出预警信息。由此可见,地震预警不仅需要一个强大严谨的监测和预警技术体系,而且争取的时间只能由几秒到十几秒,再远了破坏力迅速下降,就不需要预警了,对于特大地震沿破裂带分布的特殊地区例外,如去年5.12汶川地震的北川、青川等地。
    地震烈度速报和预警的含义有所不同,烈度是指地震发生时,在波及范围内地面振动的强弱,房屋的损坏或破坏程度,地面景观的变化情况等。烈度速报就是在地震发生后将各地的不同破坏情况尽快发布出去,速报结果对于震后救灾意义非常重大。虽然预警所发布的也是破坏程度,但它仅仅是根据距震中最近的一两个地震仪所记录到的一两秒钟的初至地震波所做出的预估计,是会有误差的。烈度速报结果是地震对地表的实际破坏情况,只能在地震发生后,根据各地区强震仪记录到的峰值加速度,结合不同地区场地响应参数计算出来,烈度速报发布的结果是确切的,只能在地震发生后一段时间才能发布出来。目前日本烈度速报时间的为震后3分钟。
    无论是地震预警还是烈度速报,都必须有一个强大的地震监测系统作为技术支撑。日本在地震台网建设到一定程度后,从2003年开始建设地震预警系统,到2007年正式发布预警信息。政府规定对可能引起5度弱以上烈度破坏的地震都要发布预警(日本的地震烈度表最高为7度),发布的烈度误差为1度,时间误差为5秒。在此期间有9次地震属发布范围,实际发布了7次,漏发布两次,平均震后到预警信息发布的时间为5.4秒。减灾成效最为显著的就是2008年6月14日发生在岩手、宫城县的7.2级地震,多数地区提前10秒钟收到警报,这次地震虽然峰值加速度达到812伽,和1995年峰值加速度达到818伽的阪神地震相当,死亡人数仅十余人。
    做好预警工作的关键就是如何尽可能缩短地震发生到信息发布的时间。日本目前做到了5.4秒内发布信息,虽然已经很快了,但是距震中30公里以内的区域依然没有预警意义。这个时间是否还可以再缩短?还有多大的压缩空间?我们不妨解剖一下这段时间的组成。第一段是地震发生到最近的地震仪记到,这段时间取决于震源的深度和台网的密度,破坏最严重的浅源地震一般深为10到20多公里,日本的台网密度已达25公里,这段时间至少两秒以上,山东省的台网十一五完成后能达到40公里间距,这段时间还要增加1秒多。第二段时间是需要记录到两秒的波形才能计算,目前他们所采用的计算办法至少需要两个台站记到波形,通常交汇震中需要三个以上台站的完整波形,在只有两个台站记录的P波初动资料的情况下交汇震中难度很大,他们采用逆向思维方式,用没记到地震的台站,通过解不等式来确定震中,较好的解决了快速定震中的问题。第三段时间是从台站将资料传送到台网中心,目前日本的网络传送为1秒钟一个包,传送时间可控制在1.5秒内,他们正在设计将包改成0.1秒的,这样将来可将传送时间控制在0.5秒以内,我们台网传送的包目前是三秒钟,恐怕不能适应预警的需要,不过提高传送速度的技术倒不是很复杂。处理资料进行计算的时间忽略不计,还要有第四段,台网中心发布到用户的时间,这一段也要1-2秒。由此可见,5.4秒确实是已经做的非常好了,压缩空间已经不大,而我们针对这四段时间确实还有大量的工作需要做。
    三、预警信息的发布
    前面已经把地震预警信息产生的技术程序理了一下,将预警信息瞬间发布到所有用户,不单单是个技术问题,也是一项很复杂的社会工程。在这方面他们已经做了或正在做着很多有益的探索。预警信息产出后气象厅作为国家台网只是通过电视、广播、网络、手机等同步向社会发布,很难顾及到每个用户。后端却有一些科研单位和企业针对各不同用户研发了各种发布技术和产品,对一些重点用户他们也搞有偿服务。一些大企业象冲电气公司等除了接收气象厅的信息外,还在自己的工厂做一个50米见方的场地,布设三台强震仪和一套处理系统,用来进一步校准气象厅发布信息的精度。一些家庭安装强震仪也是这一目的。消防厅作为救灾的主体,有专门线路接收气象厅发布的预警信息,同时他们在东京还布设有99台地震仪组成自己的台网,能很快自动绘出烈度图,消防线路是专门布设的,抗御灾害的能力很强,不用担心线路会被震断。消防直升飞机拍摄的光谱和红外摄像信息可实时传回本部,与地震资料一并分析,随时绘出灾情分布图。国家对学校的预警非常重视,为每个公立学校安装了专门设计的报警器,并建立了各学校场地响应的数据库,报警器可以自行启动或者插入到启动着的学校广播系统,发出还有多少秒钟会有几度破坏的地震到来的警报。这个传送、启动、发布过程需要1秒多钟。日本政府非常关注预警信息的发布,已将地震预警和烈度速报列为一项基本国策,去年5.12汶川地震以后,他们迅速对1995年阪神地震以后颁布的《地震防灾对策特别措施法》做出了修正案。
    四、几点体会
    1.关于地震预警我们也已经探索了好多年,对于利用预警信息那短暂的几秒钟去开发一些象关闭核电站、关闭城市生命线工程、强行制动高速列车等特殊用途的技术大家还是基本认同的,至于在几秒钟内去做以拯救生命为目的的全社会大行动,我们的认识确实还不够,日本的地震界他们已经尝试了,有很多值得我们学习借鉴的经验。
    2.中国和日本同属遭受地震灾害严重的国家,但情况却有很大的不同。首先日本的面积不到38万平方公里,仅相当于我们一个中等省份,布设台网的任务无法相比。其次是地震灾害分布,日本的灾害全国都有,面向全国统一部署就行了,我们地震分布的差异很大,人口和经济分布的差异也很大,日本全国建一个台网统一预警就够了,我们却不可能实现。其三日本的多数地震灾害都来自东海的特大地震,搞预警比较容易些,我们的地震几乎都是直下型的,难度相对要大一些。因此我认为,我们的预警体系建设以现在的省份为单位实施比较好。以我们目前的地震灾害分布和经济发展状况,不可能全面开花,一步到位,应该综合人口密度、经济发展和地震破坏多方面的因素,分批次进行。
    3.地震预警不能根本解决地震灾害问题,但从一定程度上减轻灾害还是可行的。地震预警和烈度速报的任务目标已经摆到了地震监测的议事日程上。对于我们来讲第一位的任务就是尽快整合地震监测资源,加密台网建设,提高台网的技术支撑能力,同时加大预警和烈度速报技术体系的研发力度。



更新时间:2017-2-27  点击次数:1641


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